宜萬鐵路雙塊式無砟軌道的測量控制與精度效果分析

彭學理

(鐵道部宜萬鐵路建設指揮部,湖北恩施 445000)

宜萬鐵路雙塊式無砟軌道的測量控制與精度效果分析

彭學理

(鐵道部宜萬鐵路建設指揮部,湖北恩施 445000)

宜萬鐵路精密網的布控和軌道幾何狀態測量儀的正確應用,指導了220km無砟軌道的施工;野三關隧道無砟軌道的應用實踐證明了精密測量方法和施工精度的可靠、可控,分析結果表明,測量數據最大可能地接近其真實數值,使得平面測量數據精度在0.5mm內、高程精度一般在0.8mm內、軌道平順度在0.6‰內,保證了軌道三維定位的準確和高平順的連續性。

宜萬鐵路;無砟軌道;測量;精度

無砟軌道具有穩定性、剛度均勻性、精度高,耐久性好、維修工作量顯著減少等特點,目前世界上高速鐵路發達的德國、日本和法國等國家其線路基本上都采用這種結構。其“高精度,高平順性,一次性成型”的技術特點決定了必須高度重視施工機械、測量控制網、施測方法和施工工藝,否則將導致無砟軌道精度不能完全滿足驗標要求。

宜萬鐵路是一條地形、地質復雜的山區鐵路,為保證其按速度目標值開通以及減少后期的軌道維修,在長度大于3000m的隧道中采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結構,無砟軌道長度累計達220km,本文對測量控制實踐經驗進行了總結和歸納。

1 精密控制網的布設和測量

旅客列車高速運行時安全性和舒適度的重要指標是鐵路軌道的平順度,其包含縱向和橫向2個分量,需要局部高平順和線路整體上的高平順。

重點是解決精密控制網設置、測設方法、埋設高精度元器件的原理和操作上的困難,使得CPⅢ測量軌道精度誤差控制在1mm以內,為無砟軌道施工提供精確三維定位技術。

1.1 三級精密控制網布設和誤差計算

鐵路軌道的平順度是評價列車高速運行時旅客安全性和舒適度的重要指標。對于高速度的鐵路線路,建立CPⅠ、CPⅡ和CPⅢ三級高精度的測量控制網,來作為勘察、設計、施工、交付運營和維護的基準網。其中CPI為第一級基礎平面控制網,為勘測、施工、運營維護提供坐標基準;CPⅡ為第二級為線路控制網,為勘測和施工提供控制基準;CPⅢ為第三級為基樁控制網,為鋪設無砟軌道和運營維護提供控制基準,各級平面控制網布網要求見表1。

表1 各級平面控制網布網要求_____________

假定導線縱向誤差等于橫向誤差,則可計算最弱點點位中誤差分別約為5mm和15mm。

相鄰兩點的相對中誤差計算,GPS測量的精度要求規定見表2。

表2 GPS測量的精度要求

1.2 平面控制網的建立

(1)CPⅠ、CPⅡ布測和測量方法

CPⅠ沿線路走向每隧道進出口各設1對點,按鐵路B級GPS測量要求施測。基線邊方向中誤差不大于1.3″,最弱邊相對中誤差為1/170000。CPⅡ在CPⅠ的基礎上采用導線測量方法施測,點間距離800m左右,導線測量等級為四等,測角中誤差2.5″,相對閉合差為1/40000。

(2)CPⅢ控制點布測方法

CPⅢ控制點的元器件采用工廠精加工元器件,用不易生銹及腐蝕的金屬材料制作,CPⅢ控制點標志重復安置精度達到0.3mm,布置距離為60m左右,且不大于80m(圖1),點布設高度與軌道面高度保持一致。

圖1 CPⅢ控制點布置示意

(3)CPⅢ控制點的測量

采用自由設站后方交會方法,自由測站測量;每次自由測站,以2×3個CPⅢ點為觀測目標,保證每個點測量3次。

1.3 高程控制測量

(1)采用精密水準。每一測段至少與3個二等水準點聯測,形成檢核。聯測時,往測時以軌道一側CPⅢ水準點為主線貫通,另一側的CPⅢ水準點在進行貫通水準測量設站時就近觀測。返測時以另一側CPⅢ水準點為主線貫通,對側的水準點在設站時就近聯測。

(2)CPⅢ控制點高程測量數據處理。CPⅢ控制點高程測量須嚴密平差,平差計算取位按表3中精密水準測量要求執行。

表3 精密水準測量計算取位

1.4 效果分析

建立和應用三級精密控制網進行精確測量為鐵路修建提供了高精度過程控制理論和實踐依據,尤其是使用CPⅢ作為軌道測量控制網可以將軌道精調時絕對誤差控制在1.0mm以內,為無砟軌道提供了精確三維定位技術,達到了高平順目標。

2 無砟軌道的施工測量控制

2.1 技術原理

將軌道調整分為準確就位、粗調和精調3個步驟來實現的偏差逐步縮小原則。提高整體施工效率、減少排架變形、分級逐步接近、使排架整體受力均勻的工藝原理。

2.2 控制精度的關鍵

(1)軌排中工具軌的選用和合理的調整方法是保證。

(2)測量的綜合控制原則。

(3)綜合考慮因素有:CPⅢ精度、全站儀設站精度、測段長度、可靠的平順連續測量原則,搭接測量順接過渡的處理措施和數據綜合評判。

2.3 粗調

全站儀自由設站法定位,觀測附近4個固定在隧道邊墻上的控制點棱鏡確定坐標;調整原則以先中線后水平的順序循環進行。

2.4 精調

全站儀測站距離宜為10～80m,前后測站范圍內的測量搭接長度為10m。

2.4.1 步驟

(1)確定全站儀坐標。邊角后方交會法測量,觀測工作面附近8個CPⅢ,自動平差,計算全站儀坐標。下一測站測量時,交叉觀測上一測站使用過的6個CPⅢ。

(2)測量軌道數據。測量小車在鋼軌上走行,連續檢測并實時顯示軌道軌距、水平、軌道平順性、平面位置及高程偏差。

(3)調整高程。用普通六角螺帽扳手,旋轉豎向螺桿,調整軌道水平、超高。高度盡量往上調整,不下調。

(4)調整中線。采用雙頭調節扳手,左右同時調整軌向鎖定器。

2.4.2 方法應用

(1)全站儀采用自由設站法定位,精調測量和復測時,至少交叉觀測后方利用過的6個控制點。為提高測量精度和綜合評判的準確性,需要記錄每次全站儀的設站位置,保證在精調測量、復測檢查和后期的軌道綜合整理測量控制中,全站儀的設站位置和測量范圍相同。由于儀器的頻繁搬動,要求測量儀器不僅定期全面校核,在每工班作業前,還必須對軌道檢測小車進行水平和軌距校核、對全站儀進行方向和水平校核。

(2)為了得到較為準確可靠的測量數據,使用軌道檢測小車進行精調測量時,需要按照“定點定位,兩點一線,順序進行,由遠及近”的原則進行,并結合“測點距離、平差精度、同測點的絕對測量偏差值”來綜合判斷測量數據的精度和可靠性。在沒有日光直接影響的隧道內,距離測站10～80m(為提高精度等級,曲線段可取10～60m)長度范圍內的數據具有較高的準確度,搭接測量段長度宜為5～10m,順接段內的數據遞減值宜為0.2～0.4mm/每枕;測量時,測站位置、數據記錄和數據的分析判斷很重要,要求技術負責人、軌道工程師和測量工程師都參與評判。

(3)順接過渡方法:以2個設站區間為例。相鄰設站點間隔60m,精調測量區間為距設站點第10～80m范圍,每兩個設站點之間必須考慮搭接測量段和順接過渡段。

①原理:因使用了不同的CPⅢ控制點,全站儀設站測量平差的精度也有所不同,對過渡段的測量點使用不同的設站進行測量,所得到的軌道偏差數據有所不同;因為同點位,不同設站點測量得到的數據不同,為保證軌道的高平順性,需要設立順接段對相鄰測點進行順接過渡處理;順接過渡段的設置長度與測點的兩組數據偏差值大小有關,根據測量偏差值的大小來確定順接過渡段的長度,測量偏差量越大,設置的順接過渡段長度越大,一般可取10m。

②順接過渡方法:在CPⅢ點精度、設站精度、全站儀精度、軌檢小車精度符合規范要求的情況下,兩設站點測量同測點的高程偏差值不會大于1.5mm;若站點1、站點2測量的偏差值大于2mm,則需要檢查設站點1和設站點2的設站精度,如設站精度沒有問題,則需要對CPⅢ控制點進行復測;順接過渡段從搭接段后的第一根軌枕開始,采用內插法,下一根軌枕依次比上一根軌枕數據偏差遞減,直到絕對偏差約為零(圖2,圖中以偏差值0.5mm為例)。

圖2 中心線和高程偏差處理示意

2.5 軌道過程控制標準

根據理論分析和現場實踐經驗,制定的過程控制標準如下。

(1)就位精度:高程-10～0mm,中心線±10mm。

(2)粗調精度:高程-2～0mm,中心線±1mm。

(3)精調后支撐點處的精度:高程-0.5～+0.5 mm,水平-0.5～+0.5mm,中心線±0.5mm,軌距-0.1～+0.5mm。

(4)精調后軌道全面復測精度:高程-0.8～+0.8mm,水平-0.5～+0.5mm,中心線±0.5mm,軌距-0.1～+0.5mm。

(5)搭接段的兩次設站數據差值:高程-1.0～+1.0mm,水平-0.5～+0.5mm,中心線±0.5mm,軌距-0.1～+0.5mm。

(6)軌道精調固定后,盡早澆筑混凝土,若軌道精調固定后24h以上或環境溫度變化超過15℃時,需再次進行軌道幾何的檢測、調整。

3 效果分析

該測量和精度技術首先在野三關隧道無砟軌道施工中成功應用,而后全面推廣。最后換鋪500m長鋼軌及線路鎖定后的檢測表明軌道結構形位都滿足了驗標要求,99%的數據偏差都在1.0mm以內,實現了施工過程中“提高一級控制精度”的目標(偏差統計見表4),后期軌道不需要增加扣件調整,消除了軌道的永久性缺陷。

表4 偏差統計mm

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U213.2+44

A

1004 -2954(2010)08 -0046 -03

2010 -05 -10

彭學理(1962—),男,高級工程師,1986年畢業于上海鐵道學院鐵道工程專業。